Penguat transistor menggunakan model setara isyarat kecil untuk menganalisis sifat-sifatnya seperti penguatan, hambatan masukan dan keluaran. Model ini terdiri dari hambatan dan sumber arus yang mewakili karakteristik transistor. Hambatan masukan ditentukan dari kemiringan kurva karakteristik pada titik bias, sementara penguatan tergantung pada arus kolektor dan hambatan beban. Contoh rangkaian penguat transistor dian

1. 13
PENGUAT TRANSISTOR
13.1 Model Setara Penguat
Secara umum penguat (amplifier) dapat dikelompokkan menjadi 3 (tiga), yaitu penguat
tegangan, penguat arus dan penguat transresistansi. Pada dasarnya kerja sebuah penguat
adalah mengambil masukan (input), mengolahnya dan menghasilkan keluaran (output)
yang besarnya sebanding dengan masukan.
Besarnya tegangan keluaran (vo)
dibandingkan dengan tegangan masukan (vi) dinyatakan sebagai
v o = AV v i
(13.1)
dimana AV adalah penguatan tegangan (voltage gain). Hal yang sama untuk penguat
arus berlaku
io = AI ii
(13.2)
dimana io adalah arus keluaran, ii adalah arus masukan dan AI adalah penguatan arus
(current gain). Sementara ini pembahasan hanya dibatasi pada penguatan tegangan.
Gambar 13.1 menunjukkan rangkaian setara Thevenin dari jaringan bergerbang
dua dari suatu penguat. Secara ideal, penguat tidak mengambil arus dari masukan vi dan
tegangan keluaran tidak mengalami perubahan jika arus diambil dari ujung keluaran
(lihat gambar 13.1-a). Pada kenyataannya rangkaian yang ideal ini tidak bisa dibuat.
Rangkaian seperti terlihat pada gambar 13.1-b adalah lebih realistik dimana kita
menambah hambatan masukan Ri dan hambatan keluaran Ro.
154 ELEKTRONIKA DASAR

2. Rs
(a) v
i
io
vi
~
vo
~
R
vo =Av
i
Sumber
Rs
(b) vi'
~
Penguat
i
Beban
Ro
i
vi
Ri
L
io
vo
'
~
vo =Av
R
L
i
Gambar 13.1 Rangkaian setara Thevenin jaringan bergerbang dua
Pada gambar 13.1-b terlihat bahwa pada bagian masukan mengalir arus masukan
sebesar
ii =
vi
Ri
(13.3)
Semakin besar harga Ri penguat tersebut semakin mendekati kondisi ideal. Hambatan
sumber Rs dan hambatan masukan Ri membentuk pembagi tegangan sehingga
vi =
Ri
vs
Ri + R s
(13.4)
'
Pada bagian keluaran, dengan adanya Ro, tegangan keluaran v o menjadi
'
v o = v o − i o Ro
atau
'
vo =
RL
vo
Ro + R L
(13.5)
Penguat Transistor 155

3. Persamaan 13.5 jelas memperlihatkan bahwa semakin kecil harga Ro suatu penguat akan
medekati kondisi ideal.
13.2 Penguat Tegangan
Pada bagian sebelumnya telah dipelajari bagaimana transistor diberi tegangan panjar
(bias) agar transistor tersebut dapat bekerja sebagai penguat. Pada gambar 13.2
diperlihatkan penguat BJT emitor-ditanahkan dengan tegangan panjar dari VCC dan VBE.
R
L
+
VCC
vi
v
_
~
+
BE _
Gambar 13.2 pemasangan tegangan panjar pada penguat emitor ditanahkan
Antara parameter masukan dan keluaran terdapat hubungan dalam bentuk
eksponensial sebagai berikut
 v
− i E = I o exp BE
V
 T
v
≈ I o exp BE
V
 T




 
 − 1

 
(13.6)
Arus kolektor (iC) besarnya hampir mendekati arus emitor (iE), dengan demikian kita
dapat menuliskan
v
iC ≈ I o exp BE
V
 T




156 ELEKTRONIKA DASAR
(13.7)

4. (a)
(b)
(c)
Gambar 13.3 Bentuk isyarat keluaran suatu penguat untuk isyarat masukan (a) 1 dan
1,8 mV, (b) 4 dan 8 mV dan (c) 15 dan 20 mV
Penguat Transistor 157

5. dan tegangan kolektor diberikan oleh
v C = VCC − i C R L
v
v C = VCC − I o R L exp BE
V
 T




(13.8)
Persamaan 13.8 menunjukkan hubungan antara tegangan input vBE dan tegangan output
vC dimana keduanya terdapat komponen DC (untuk panjar) dan komponen AC (isyarat).
Sayangnya keluaran dan masukan merupakan hubungan yang tidak selalu linier.
Dengan kata lain tidak selalu keluaran merupakan copy dari masukan sehingga terjadi
keluaran yang terdestori (cacat). Ini terjadi akibat isyarat masukan yang terlalu besar.
Pada gambar 13.3-a isyarat keluaran dari suatu input 1 dan 1.8 mV memperlihatkan
bentuk sinusoida yang sempurna (tidak terjadi distorsi). Namun jika isyarat masukan
diperbesar menjadi 4 dan 8 mV (gambar 13.3-b) nampak bahwa untuk garis referensi di
7V, isyarat keluaran tidak simetri lagi (bagian bawah lebih tajam).
Pada isyarat
masukan sebesar 15 mV (gambar 13.3-c), isyarat keluaran mengalami distorsi yang
sangat nyata. Saat masukan diperbesar ke harga 20 mV, masukan kolektor menyamai
tegangan emiter, akibatnya transistor berada pada daerah jenuh sehingga isyarat
keluaran terpotong kurang lebih 2V.
Dengan demikian kita hanya dapat menentukan besarnya tegangan keluaran
karena adanya perubahan yang sangat kecil pada masukan, yang lebih dikenal sebagai
penguatan isyarat kecil (small-signal gain). Kita memiliki
v
v C = VCC − I o R L exp BE
V
 T




dan besarnya penguatan diberikan oleh
 R 
dv C
v
= −  L  I o exp BE
V 
V
dv BE
 T 
 T
dv C
i R
=− C L
dv BE
VT
158 ELEKTRONIKA DASAR




atau
(13.9)

6. Pada persamaan 13.9 terlihat bahwa penguatan berharga negatif, artinya jika vBE naik
maka iC juga naik, tetapi sebaliknya vC akan menurun.
Untuk pengoperasian pada isyarat kecil, iC tetap mendekati harga panjar DC
yaitu IC, sehingga penguatan isyarat kecil diberikan oleh
AV = −
I C RL
VT
(13.10)
Penguatan ini bernilai cukup besar, misalnya untuk I C R L = 5 V diperoleh penguatan
sebesar ≈ -200.
13.3 Hambatan Masukan
Pada rangkaian emitor-ditanahkan (common emitor) harga hambatan masukan dapat
diperoleh juga dari hubungan eksponensial
v 
− i E = I o exp BE 
V 
 T 
atau
v
I o exp BE
V
 T
iB =
(β + 1)




Sekali lagi untuk isyarat masukan yang sangat kecil diperoleh
di B
dv BE
 Io

V
T
=

v
 exp BE

V

 T
(β + 1)




sehingga
dv BB
=
di E
(β + 1) VT
v
I o exp BE
V
 T
βV T
=
IE




(13.11)
Penguat Transistor 159

7. Ruas kiri tidak lain adalah hambatan masukan untuk rangkaian emitor ditanahkan atau
biasa disimbolkan dengan rπ . Untuk isyarat kecil, arus emitor mendekati hara DC (IE)
sehingga
rπ =
βVT
IE
(13.12)
i
B
IB
Slope
=1/r
π
v
V
BE
BE
Gambar 13.4 Pengambilan harga rπ dari karakteristik input transistor
Perlu dicatat bahwa rπ bukanlah berasal dari resistor yang nyata; namum berasal
dari kemiringan (slope) kurva karakteristik masukan (lihat gambar 13.4) pada titik
panjar DC.
Dengan cara yang sama untuk rangkaian penguat basis-ditanahkan, dengan arus
masukan − i E = ( β + 1) i B , hambatan masukan (re) adalah
re =
VT
IE
(13.13)
Persamaan 13.13 diturunkan langsung dari − I E ≈ I o exp( − v EB / VT ) . Dengan demikian
hubungan rπ dan re dapat dituliskan sebagai
160 ELEKTRONIKA DASAR

8. rπ = β rπ
(13.14)
Sedangkan besarnya penguatan tegangan dimungkinkan untuk dituliskan sebagai
AV = −
RL
re
(13.15)
Dari keadaan di atas nampak bahwa besarnya penguatan tegangan adalah sama untuk
setiap transistor, yaitu hanya tergantung pada IC dan bukan pada β.
13.4 Hambatan Keluaran
Trasistor mengalirkan arus lewat hambatan beban sebesar
iC = β i B
(13.16)
dimana harganya hampir tidak tergantung pada besarnya RL karena iC hampir tidak
tergantung pada besarnya vCE.
Besarnya hambatan keluaran walaupun keluaran
terbebani akan berharga sekitar RL.
13.5 Model-model Isyarat Kecil (Small-Signal Models)
Untuk menentukan sifat-sifat sebuah penguat transistor, dapat dilakukan pendekatan
yaitu mengganti transistor tersebut dengan rangkaian setara model isyarat kecil. Model
ini tersusun dari rangkaian yang lebih sederhana sehingga memudahkan perhitungan.
i
b
ic
rπ
B
βi
C
b
E
Gambar 13.5 Model isyarat kecil untuk penguat emitor ditanahkan
Penguat Transistor 161

9. Gambar 13.5 menunjukkan sebuah model isyarat kecil untuk penguat emitor
ditanahkan. Pada bagian masukan (basis) mengalir arus AC (yaitu iB) lewat hambatan
rπ = β re dimana re = VT / I E . Pada bagian keluaran (kolektor), transistor mempunyai
arus AC kolektor (iC) yang (hampir) konstan sebesar iC = β i b .
E
ie
i
C
re
αi e
B
β ib
b
C
re
B
E
(a)
(b)
Gambar 13.6 Model isyarat kecil untuk penguat basis ditanahkan
Gambar 13.6-a menunjukkan sebuah model isyarat kecil untuk penguat basisditanahkan. Dengan membuat modifikasi model seperti terlihat pada gambar 13.6-b,
kadang-kadang dapat memberi kemudahan dan lebih berguna. Pada bagian masukan
terdapat hambatan masukan re. Jika pada masukan diberi tegangan masukan sebesar vb
maka arus masukan adalah ib , sedangkan arus sebesar (β + 1) i b mengalir lewat re
sehingga
v B = (β + 1) i b re
(13.17)
vb
= (β + 1) re
ib
(13.18)
≈ rπ
yang merupakan hambatan masukan seperti yang diharapkan.
162 ELEKTRONIKA DASAR

10. + VC C
R1
C
Rs
vs
~
R
VC C = 9 V
L
R1
vo
Q1
I
R2
R
E
+
_
C
R
2 = 4,7 kohm
R = 390 ohm
E
R = 560 ohm
L
C = 4700 uF
E
C
E
= 10 kohm
I = 100 uF
Gambar 13.7 Contoh pemberian keadaan panjar pada penguat transistor
Gambar 13.7 memperlihatkan contoh rangkaian penguat transistor dengan
sumber tegangan masukan vS dengan resistansi sumber RS. Kita menganalisis rangkaian
tersebut dengan membuat pendekatan seperlunya. Misalkan transistor Q1 adalah terbuat
dari silikon dengan tipe n-p-n dengan penguatan arus β = 200. Beberapa permasalahan
berikut akan kita selesaikan.
(a) Berapa arus DC kolektor ?
(b) Beri komentar seberapa efektif keadaan panjar rangkaian pada gambar 13.7
(misalnya dengan membuat perkiraan besarnya perubahan arus kolektor jika
dilakukan penggantian transistor dengan harga gain arus setengahnya)
(c) Dengan asumsi harga Rs dapat diabaikan, perkirakan efek pada tanggapan
frekuensi isyarat-kecil pada 50 Hz
(i)
dari CE
(ii)
dari CI.
(d) Jika vS berupa gelombang sinus dengan amplitudo 2 mV dan frekuensi 1 kHz,
perkirakan bentuk tegangan keluarannya dengan
(i)
berasumsi RS = 0,
(ii)
berasumsi RS = 600 Ω
Penguat Transistor 163

11. Penyelesaian:
(a) Pertama harus kita hitung besarnya sumber tegangan rangkaian terbuka basis
(ingat teorema Thevenin) sebagai
V BB = VCC × R2 /( R1 + R2 )
= 9 × 4,7/14,7
= 2,88 V
dan hambatan sumber basis
R B = R1 // R2
= 3,20 k
Untuk transistor dengan gain arus β berlaku
IB =
VBB − VBE
RB + (β + 1)RE
2,88 − 0,6
mA
3,20 + 201 + 0,39
= 27,9 µA
=
Demikian juga
IC = β I B
¢
¡
= 200 × 27,9
= 5,58 mA
(dalam hal ini kita berasumsi bahwa VBE berharga 0,6 V)
(b) Untuk β = 100 kita mendapatkan
2,88 − 0,6
mA
3,20 + 101 × 0,39
= 53,5
I C = 5,35 mA
IB =
¢
£
ternyata diperoleh hasil yang hampir sama dengan transistor dengan β = 200.
Dengan demikian rangkaian ini mempunyai stabilitas panjar yang baik. Sebagai
alternatif dari bagian (a) diperoleh
= (201/200) × 5,58 mA × 390
= 2,19 V
164 ELEKTRONIKA DASAR
¤
VE = I E RE

12. sehingga VB = 2,79 V, nampak hampir sama dengan harga VBB, memberi
indikasi bahwa RB berharga sangat kecil. Juga harga VBB cukup besar untuk
menghapus ketidakpastian pada VBE saat menghitung IB.
C
I
i
B
C
βi
re
Rs
v
s
b
R2
~
R
1
b
E
RE
RL
CE
Gambar 13.8 Rangkaian ekivalen AC
(c) (i) Kita berasumsi bahwa CI berharga cukup besar untuk dianggap terjadi
hubung singkat pada frekuensi 50 Hz, kemudian kita akan lihat efek dari CE.
Kita akan menggunakan model setara transistor seperti pada gambar 13.6 (b).
Kita perlu menggambar rangkaian setara AC, dan untuk keperluan ini untuk
sebarang titik pada tegangan DC adalah pada AC ditanahkan (karenanya
mempunyai tegangan AC nol). Selengkapnya rangkaian tersebut seperti terlihat
pada gambar 13.8. Harga reaktansi dari CE pada frekuensi 50 Hz adalah
1 / ωC E = ( 4700 × 10 −6 × 2π × 50) −1
¥
= 0,677
Reaktansi ini paralel dengan RE = 390 Ω dimana harganya dapat diabaikan, dan
ini seri dengan
re = 25 mV/5,61 mA
= 4,46 Ω
Arus sebesar i e = ( β + 1)i b mengalir melalui keduanya sehingga tegangan pada
kedua ujungnya adalah sebesar
vb = ib (896 Ω resistif + 136 Ω kapasitif)
Penguat Transistor 165

13. dimana karena kita mengabaikan impedansi RS dan CI, maka harganya sama
dengan vS.
Bagian dari vS yang muncul pada re adalah sebesar
4,46 / 4,46 2 + 0,677 2 = 0,989 . Dengan demikian CE hanya memberikan efek
yang kecil pada frekuensi 50 Hz (ini akan menghasilkan pergeseran fase sebesar
tan-1 (0,677/4,46) = 8,6o)
(ii) Pada kasus ini model seperti terlihat pada gambar 13.5 lebih sesuai sehingga
rangkaian ekivalen AC terlihat seperti pada gambar 13.9.
C
I
i
B
βi
rπ
Rs
v
s
b
R2
~
R
1
C
b
E
RE
RL
CE
Gambar 13.9 Rangkaian setara
Kita dapat mengabaikan besarnya reaktansi dari CE sehingga emiter ditanahkan
(grounded) dan hambatan masukan merupakan kombinasi paralel R1, R2 dan
rπ = βV T / I E
= 200 × 25 mV/5,61 mA
= 896
¦
yaitu Rin = (1/896 +1/4700 + 1/10000)-1 = 700 Ω. Reaktansi CI adalah sebesar
1 / ωC I = (100 × 10 −6 × 2π × 50) −1 = 31,8
¦
Bagian dari vS yang muncul pada rπ adalah sebesar 700 / 700 2 + 31,8 2 = 0,999 .
Dengan demikian pada frekuensi 50 Hz, CI memberikan efek yang dapat
diabaikan pada besarnya penguatan.
166 ELEKTRONIKA DASAR

14. (d) Masukan sebesar 2 mV (>> VT = 25 mV) adalah cukup kecil untuk
menghasilkan distorsi pada keluaran, karenanya kita dapat menggunakan
analisis isyarat-kecil. Pada frekuensi 1 kHz, baik CI dan CE dapat dianggap
terjadi hubung singkat.
(i) Disini vbe = vs dan besarnya penguatan adalah sebesar
A = -RL/re = - (560/4,46) = -126
dengan demikian keluaran berbentuk sinusoida dengan amplitudo 252 mV
(ii) Dalam hal ini hambatan masukan sebesar 700 Ω (lihat bagian c-ii) dikenai 2
mV dari sumber dengan hambatan seri sebesar 600Ω. Tegangan keluaran
akan turun sebesar (700/(700+600)) × 2 mV × 126 = 136 mV.
13.6 Pengaturan Tegangan Panjar
Jika kita diminta untuk menentukan besarnya panjar (bias) pada kedua rangkaian pada
gambar 13.10, kemungkinan kita akan kebingungan dengan banyaknya alternatif pilihan
harga. Namun perlu diperhatikan bahwa kita tidak bisa memilih panjar secara acak.
Untuk itu diperlukan aturan agar didapat desain yang tepat, walaupun harga-harga
pilihan dimaksud tidak berupa nilai yang eksak tetapi dalam bentuk interval nilai.
+
R1
RC
+
VC C
RC
VC C
_
_
v
B
v
E
R2
R
C
E
C
E
E
RE
_
(a)
VE E
+
(b)
Gambar 13.10 Desain pemberian panjar pada penguat transistor
Penguat Transistor 167

15. Untuk memilih desain yang tepat misalnya untuk rangkaian pada gambar 13.10a, sebaiknya VB tidak terlalu terpengaruh oleh adanya aliran arus basis dari pembagi
potensial (sehingga V B ≈ VCC × R 2 /( R1 + R2 ) ). Untuk itu diperlukan
(V B / R2 ) >> (V E / R E ) × 1 / β
atau mendekati
R2 << βR E
(karena V B ≈ V E )
Sebagai acuan dapat dibuat
R2 ≈ 10 R E
jika dipasang R2 yang terlalu rendah dapat mengurangi hambatan masukan isyarat-kecil
(small-signal input resistance).
Pada kedua rangkaian pada gambar 13.10 perbedaan tegangan antara basis dan
sumber emitor harus lebih besar dari 0,6 volt; dan juga kelebihan tegangan harus lebih
besar dari ketidak pastian harga VBE (∼ 0,1 V). Untuk itu diperlukan
V B − 0,6 >> 0,1
atau
V EE − 0,6 >> 0,1.
Sebagai pedoman dapat dibuat
V B ≈ 3 volt, atau V EE ≈ 3 volt
atau mungkin
V B ≈ VCC / 3, atau V EE ≈ VCC
168 ELEKTRONIKA DASAR

16. Biasanya terdapat pembatasan tertentu untuk harga VCC, jika tidak, dapat saja
dipasang harga dari 1 – 1000 volt.
Namun biasanya akan lebih realistik dengan
mengambil harga pada daerah 5 – 50 volt. Secara praktis biasanya kita memilih
VCC = 9 volt
(standar baterai yang banyak dijual)
atau
VCC = VEE = 15 volt (biasanya dipakai pada penguat komersial)
Dari harga R2, VB, dan VCC selanjutnya dapat ditentukan harga R1.
Biasanya juga terdapat pembatasan tertentu untuk harga RE , RC, dan I E ≈ I C .
Harga RE dan RC dapat berkisar dari 10 Ω - 10 MΩ serta IE dapat berharga dari 1µA
sampai dengan 1 A.
Jika hambatan keluaran ditentukan sama dengan RC dan jika hambatan luar
harus dipasang, maka RC harus berharga beberapa kali lebih kecil. Jika arus beban luar
harus dicatu maka IC harus paling tidak beberapa kali lebih besar.
Jika keterbatasan-keterbatasan di atas tidak berlaku, secara praktis harga-harga
berikut dapat dipilih
I E ≈ I C = 1 mA
dan untuk meyakinkan pemilihan panjar yang tepat ambil harga RE dan RC dari
I C RC ≈ (VCC − V E ) / 2
I E R E = V EE − 0,6
Kemungkinan penguatan tegangan dapat ditentukan, yaitu dari
AV = − RC / re = − I C RC / VT
Dengan demikian harga ICRC adalah tertentu sesuai dengan harga VCC yang dipasang,
yaitu
I C RC ≈ (VCC − V E ) / 2
Penguat Transistor 169